JP2024516591A - 光キャリア抑制及び位相検出能力を有するコヒーレントフォトニクス撮像装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、トランスミッタ及びレシーバーを備えるコヒーレント撮像システムに関する。トランスミッタは、コヒーレント光源、及び、電磁波を参照ビームと信号ビームとに分割するためのパワースプリッタを含む。レシーバーは、画像形成デバイス、及び、ピクセルのアレイを含む。各ピクセルは、画像形成デバイスによってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を集光信号として収集するための手段と、集光信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の集光信号に分割するための手段と、複数の混合信号を形成するように、各集光信号を参照ビームと混合するための手段と、及び、混合信号を検出し、混合信号に応答して複数の出力電気信号を出力するための手段とを含む。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年４月２２日に、Aroutin Khachaturian、Behrooz Abiri、Seyed Mohammadreza Fatemi、及びSeyed Ali Hajimiriによって出願され、「"COHERENT PHOTONICS IMAGER WITH OPTICAL CARRIER SUPPRESSION AND PHASE DETECTION CAPABILITY,」(CIT-8637-P)と題し、同時係属中であり、本発明の譲受人に譲渡された、米国特許仮出願第63/178,118号について、米国特許法第119条(e)に基づく利益を主張する。この出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、コヒーレント撮像システム及びその製造方法に関する。

従来のイメージセンサ（ＣＣＤ又はＣＭＯＳ）は、直接検出に基づいて機能し、暗電流ノイズ及び電気的読み出しノイズ（electrical read noise）に起因して性能が制限される。コヒーレント光源と組み合わせた機械式デバイス及びＭＥＭＳデバイスは、これら従来のカメラセンサを改善する１つの方法である。しかしながら、走査速度は、ｋＨｚ領域に制限され、またコヒーレント検出用には、嵩張る外部光学部品を必要とする。

一方、集積型フォトニクスプラットフォームは、外部光学部品を必要とせずとも、各ピクセルにおいて複雑な信号処理を行うことができる。さらに、コヒーレントビーム形成は、光フェーズドアレイ［１］（非特許文献１）を使用する集積型ビーム形成によって達成することができる。コヒーレント撮像装置（イメージャ）［２］～［４］（非特許文献２～４）は、ヘテロダイン検出に基づいて機能し、また信号感度の増加に起因して向上した範囲及び解像度をもたらす。ヘテロダイン混合の後、ダウンコンバートされた電気信号は、光信号の位相又は振幅に組み込まれた所望の信号を含むので、レシーバー（受信機）は、ショットノイズ制限領域の近くで動作することができる。しかしながら、ヘテロダイン検出器の主な課題は、コヒーレントレーザ源の不完全性の変動（相対強度ノイズ及び位相ノイズ）がノイズ源として現れ、検出信号と干渉することである。これにより、不所望の信号を平均化して相殺するのに必要な信号取得時間が増加する。コヒーレント撮像装置のもう１つの課題は、相互接続密度及びチャンネル間絶縁の増加である。必要とされているのは、ノイズ及び相互接続密度が低減したコヒーレント撮像システムである。本開示はこの要求を満たす。

Firooz Aflatouni, Behrooz Abiri, Angad Rekhi, and Ali Hajimiri, "Nanophotonic projection system, " Opt. Express 23, 21012-21022 (2015) B. Abiri, R. Fatemi and A. Hajimiri, "A 1-D Heterodyne Lens-Free Optical Phased Array Camera With Reference Phase Shifting, " in IEEE Photonics Journal, vol. 10, no. 5, pp. 1-12, Oct. 2018, Art no. 6601712, doi: 10.1109/JPHOT.2018.2871823. Firooz Aflatouni, Behrooz Abiri, Angad Rekhi, and Ali Hajimiri, "Nanophotonic coherent imager, " Opt. Express 23, 5117-5125(2015) B. Behroozpour et al., "11.8 Chip-scale electro-optical 3D FMCW lidar with 8μm ranging precision," 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2016, pp. 214-216, doi: 10.1109/ISSCC.2016.7417983.

[課題を解決するための手段]
本発明の実施形態による例示的なコヒーレント撮像システム及び検出器アレイは、限定されるものではないが、以下を含む。

（実施例１）
コヒーレント撮像システムにおいて、
トランスミッタであって、
電磁波のコヒーレント光源、及び
電磁波を、参照ビームと、ターゲットに送信される信号ビームとに分割するためのパワースプリッタ
を含む、該トランスミッタと、
ターゲットから反射された又はターゲットを透過した信号ビームを受信するように配置されるレシーバーであり、
画像形成デバイス、及び
ピクセルのアレイ
を含む、該レシーバーと、
を備える、コヒーレント撮像システムであって、各前記ピクセルは、
画像形成デバイスによって捕捉領域上に結像された信号ビームの一部を収集信号として収集するための該捕捉領域と、
参照ビーム及び収集信号を、複数の経路に沿って複数のカプラに分配する複数の導波路であり、
異なる経路内の収集信号は、異なる位相シフトを有し、また
各カプラは、複数の混合信号を形成するように、参照ビームと、位相シフトにおいて異なる位相シフトを有する収集信号のうち異なる収集信号とを混合する、
該複数の導波路と、
各混合信号を検出し、且つ、検出に応答して複数の出力信号を出力するように、カプラの出力に接続された複数の検出器と、
を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例２）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
カプラは、第１カプラ及び第２カプラを含み、
収集信号は、第１信号と、第１信号に対して９０度の位相シフトを有する第２信号とを含み、
混合信号は、第１混合信号及び第２混合信号を含み、
第１カプラは、第１信号を参照ビームと混合して、同位相信号を有する第１混合信号を形成し、
第２カプラは、第２信号を参照ビームと混合して、直交信号を有する第２混合信号を形成し、
検出器は、同位相信号を検出する第１検出器、及び直交信号を検出する第２検出器を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例３）
実施例２に記載のコヒーレント撮像システムであって、さらに、出力信号の二乗を合計する回路を備える、コヒーレント撮像システム。

（実施例４）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
収集信号は、第１信号と、第１信号に対して第１角度の位相シフトを有する第２信号と、第１信号に対して第２角度の位相シフトを有する第３信号と、第１信号に対して第３角度の位相シフトを有する第４信号とを含み、
カプラは、第１混合信号、第２混合信号、第３混合信号及び第４混合信号を含む混合信号を出力する、第１カプラ、第２カプラ、第３カプラ及び第４カプラを含み、また
検出器は、第１混合信号を検出する第１検出器、第２混合信号を検出する第２検出器、第３混合信号を検出する第３検出器、及び第４混合信号を検出する第４検出器を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例５）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタ及びレシーバーは、
信号ビームが、アパーチャを介してトランスミッタからターゲットに送信され、且つ
信号ビームが、アパーチャを介してレシーバー内で受信されるように、
該アパーチャを共有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例６）
実施例５に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタ及びレシーバーは、光アンテナが、信号ビームをターゲットに送信し、且つ、光アンテナが、ターゲットから信号ビームを受信するように、複数の光アンテナを共有するアパーチャを含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例７）
実施例５に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタ及びレシーバーは、
トランスミッタからターゲットに送信される信号ビーム、及び
ターゲットからピクセルに受信される信号ビーム
を形成するような光ビーム形成システムを共有するアパーチャを含む、コヒーレント撮像デバイス。

（実施例８）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
レシーバーはさらに電気制御回路を含み、電気制御回路は、
ピクセルのうち１つ以上の選択された行からの出力信号の読み出しを選択し、且つ
ピクセルのうち残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、
ピクセルにバイアスをかける、コヒーレント撮像システム。

（実施例９）
実施例８に記載のシステムにおいて、
ピクセルは行及び列として配置され、
電気制御回路は、
行のうち１つ以上の行内にある各ピクセルに接続された複数の共通行バイアスライン、及び
列のうち１つ以上の列内にある各ピクセルに接続された複数の共通列バイアスラインを含むものであり、
各ピクセルはさらに、
一対の共通行バイアスラインの間に直列に接続される２つのバランス型フォトダイオードを有する各検出器、
フォトダイオードと並列に接続され、且つ、一対の共通行バイアスラインの間に接続される保護抵抗、
少なくとも１つのダイオードであり、該ダイオードは、フォトダイオードからの出力と直列に接続されたアノード及びカソードを含む、該ダイオード、
を含み、
一対の共通行バイアスラインは、フォトダイオードに逆バイアスをかけ、アノードの電圧を設定し、
共通列バイアスラインは、
１つ以上の選択された行から出力信号を読み出すために、選択された行内のダイオードに順方向バイアスをかけ、且つ
残りの行内のダイオードに逆バイアスをかけるように、
カソードにバイアスをかける、システム。

（実施例１０）
実施例１に記載のシステムにおいて、レシーバーはさらに、ピクセルのうち１つ以上の選択された行からの出力信号の読み出しを選択し、且つピクセルのうち残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、ピクセルのうち１つ以上の選択された行にのみ参照ビームを分配するスプリッタを含む、システム。

（実施例１１）
実施例１０に記載のシステムにおいて、スプリッタは１つ以上の干渉計を含み、各干渉計は、
第１出力及び参照ビームを受信するための入力を有する第１ブランチと、
第２出力を有する第２ブランチと、
第１ブランチ及び第２ブランチを接続する第１カプラと、
第１ブランチ及び第２ブランチを接続する第２カプラであり、第２ブランチは、第１ブランチと直列に配置されるものである、該第２カプラと、並びに
第１ブランチ又は第２ブランチに接続される可変型電圧変調器であり、第１出力及び第２出力において出力される参照ビームの相対パワーを制御するように、電圧変調器に電圧信号が入力されたことに応答して、第１ブランチ又は第２ブランチのうち少なくとも一方における参照ビームの相対位相を制御する、該可変型電圧変調器と、
を含む、システム。

（実施例１２）
実施例１１に記載のシステムにおいて、
スプリッタはさらに、干渉計に接続される参照検出器を含み、参照検出器は、第１出力又は第２出力における参照ビームの相対パワーの一部を監視する電流信号を出力し、また
システムはさらに、電流信号をフィードバックとして使用して電圧信号を制御するパワー分配回路を備える、システム。

（実施例１３）
実施例１２に記載のシステムにおいて、
スプリッタは、カスケード型干渉計から成る複数の干渉計を含み、
干渉計はＭ個の層内に分配され、１つ以上の干渉計の第１出力及び第２出力はそれぞれ、層のうち前の層において、層のうち次の層内にある干渉計のうち異なる干渉計の入力に供給され、それにより参照ビームを分割することができ、層のうち第１層内にある干渉計の入力に入力され、層のうち最後の層内にある干渉計の第１出力及び第２出力を含むＮ個の出力に供給され、また
Ｎ＝２Ｍ個の出力にパワーを割り当てるのに必要とされる電圧信号は、パワー分配回路によって、Ｍ個の層について、ｊ（１≦ｊ≦Ｍ）番目の層内にある干渉計毎に、ｊ＝１から始めて、
（ａ）ｊ＋１番目の層内にある最も上側のブランチ及び最も下側のブランチに全てのパワーをルーティングする場合、ｊ番目の層内にある各干渉計に印加される電圧信号と、ｊ番目の層内にある全ての干渉計から出力された電流信号の合計とを記録し、また
（ｂ）（ａ）で得られた知識を考慮して、ｊ＋１番目の層内にある残りの出力のそれぞれに、参照ビームを異なるパワーでルーティングする場合、電圧信号を、ｊ＋１番目の層内にある干渉計に合わせ、また、ｊ＋１番目の層内にある干渉計から出力された電流信号の合計を記録するように、
較正され、
その結果、全ての電圧信号は、Ｍ個の電流ノードのみを使用して較正され、ｊ番目の電流ノードは、ｊ番目の層から出力された電圧信号の合計を含むことになる、システム。

（実施例１４）
実施例１に記載のシステムにおいて、
ビーム形成器は、第１レンズ、第１ミラー、第１ビームステアリング装置、又はターゲットの全体に信号ビームを照射し、若しくはターゲット上の１つ以上の異なる点に、１つ以上のコリメートビームを含む信号ビームを照射する第１光フェーズドアレイのうち少なくとも１つを含み、また
画像形成デバイスは、第２レンズ、第２ミラー、第２ビームステアリング装置、又は、ターゲットとの相互作用後に、信号ビームをピクセル上に結像する第２光フェーズドアレイのうち少なくとも１つを含む、システム。

（実施例１５）
実施例１に記載のシステムにおいて、レシーバーは、
各ピクセルが異なる参照位相を有する参照ビームを受信するように、各ピクセルに送信される参照ビームの参照位相を調整する制御回路、又は
測距用途用の出力信号から時間領域情報を抽出するように、少なくとも１つの線形周波数チャープ、又は少なくとも１つの２進符号化位相若しくは振幅のうち、少なくとも一方を用いて電磁波を変調する変調器を含む、システム。

（実施例１６）
実施例１に記載のシステムにおいて、捕捉領域は１つ以上の光アンテナを含む、システム。

（実施例１７）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
コヒーレント撮像システムは、出力信号を、コヒーレントトトモグラフィ、ＬＩＤＡＲ、リモートセンシング、ロボット工学、自動化、空中結像、又は分光法から選択される用途に使用できるように構成され、電磁波のコヒーレント光源は１つ以上のレーザを含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例１８）
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）撮像装置又は無線周波数（ＲＦ）レーダシステムのうち少なくとも一方と組み合わせた実施例１に記載のシステムを備えるマルチモーダル撮像システム。

（実施例１９）
実施例１に記載の撮像システムであって、さらにコンピュータを備え、コンピュータは、１つ以上のプロセッサ、１つ以上のメモリ、及び１つ以上のメモリに記憶された１つ以上のコンピュータ実行可能命令を含み、コンピュータ実行可能命令は、
出力信号から得られた撮像装置出力データを圧縮する第１人工知能若しくは機械学習アルゴリズム、又は
ターゲットを検出し若しくはターゲットを分類するように、出力信号から得られた若しくは出力信号を含むデータを分析する、第２人工知能若しくは機械学習アルゴリズム
のうち少なくとも一方を有する、撮像システム。

（実施例２０）
電磁波のコヒーレント検出のため、ピクセルのアレイを備える検出器アレイにおいて、
各ピクセルは、
画像形成デバイスによってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集するための手段と、
収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割するための手段と、
複数の混合信号を形成するように、各収集信号を参照ビームと混合するための手段と、及び、
混合信号を検出し、混合信号に応答して複数の出力信号を出力するための手段と
を含む、検出器アレイ。

（実施例２１）
実施例２０に記載の検出器アレイにおいて、収集するための手段、分割するための手段、混合するための手段、及び出力するための手段は、１つ以上のフォトニック集積回路を含む、検出器アレイ。

ここで図面を参照する。図面内では、類似の参照番号は、全体にわたって対応する部分を示す。

コヒーレント撮像システムの概略図である。 コヒーレント撮像システムにおける検出器アレイ内のユニットセルのブロック図である。 ダイオード選択信号及び並列保護抵抗器を備えるバランス検出器セルの概略図である。 コヒーレント撮像装置ピクセルの電気配線を示す概略図である。 パワーを２分割するための可変型光パワー分配（ＴＰＤ）セルの概略図である。 パワーを４分割するためのＴＰＤセルのカスケードである。 パワーをＮ分割するためのＴＰＤセルのカスケードである。 周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）による変調、フラッシュ照明、及び離散レンズを利用する画像形成を用いた、コヒーレント撮像システムである。 ＦＭＣＷ変調、ポイント毎の照明（point-by-point illumination）、及び離散レンズを利用する画像形成を用いた、コヒーレント撮像システムである。 ＦＭＣＷ変調、ポイント毎の照明、及び離散レンズを利用する画像形成を用いた、コヒーレント撮像システムである。 デジタルビーム形成を用いたコヒーレント撮像システムである。 ビーム形成用又は画像形成用の光フェーズドアレイ（optical phased array）の概略図である。 シリコンにおいてフォトリソグラフィーを利用してフォトニック回路として製造された可変カプラの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 シリコンにおいてフォトリソグラフィーを利用してフォトニック回路として製造されたコヒーレント撮像装置ピクセルユニットの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 シリコンにおいてフォトリソグラフィーを利用してフォトニック回路として製造されたハイブリッド９０°カプラの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 コヒーレント撮像装置におけるシリコンフォトニクスの実施形態のダイ写真である。 図１５Ａは、第１時間インスタンスにおいて、ターゲットから反射された信号ビームに応答して測定された同位相信号（Ｉ）及び逆位相信号（Ｑ）を、時間（マイクロ秒μｓ）の関数として表したプロットであり、図１、１３及び１４のコヒーレント撮像システムを使用して取得された。図１５Ｂは、図１５ＡのＩ及びＱを使用した、Ｉ^２＋Ｑ^２のプロットである。 図１６Ａは、第２時間インスタンスにおいて、ターゲットから反射された信号ビームに応答して測定された同位相信号（Ｉ）及び逆位相信号（Ｑ）を、時間（マイクロ秒）の関数として表したプロットであり、図１、１３、及び１４のコヒーレント撮像システムを使用して取得された。図１６Ｂは、図１６ＡのＩ及びＱを使用した、Ｉ^２＋Ｑ^２のプロットである。 本発明の１つ以上の実施形態によるコヒーレント撮像システムの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の１つ以上の実施形態による撮像方法を示すフローチャートである。 本発明の１つ以上の実施形態による、撮像を実施するための例示的なコンピュータシステムの実施形態である。 本発明の１つ以上の実施形態による、撮像を実施するための例示的なネットワークコンピュータシステムである。

好ましい実施形態についての以下の説明では、本明細書の一部を形成する添付図面が参照され、本発明を実施できる具体的な実施形態が実例として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造の変更を行うことができることを理解すべきである。

［技術説明］
［コヒーレント撮像システムの実施例］
図１は、トランスミッタ１０２及びレシーバー１０３を備えるコヒーレント撮像システム１００を示す。トランスミッタ１０２は、電磁波１０６のコヒーレント光源１０４と、電磁波を参照ビーム１１２と信号ビーム１１０に分割するためのパワースプリッタ１０８と、変調電磁波１１６を形成するように、電磁波の位相又は振幅のうち少なくとも一方を変調するための変調器１１４と、及び（変調電磁波を含む）信号ビームをターゲット１２２に送信するビーム形成器１１８とを備える。レシーバー１０３は、ターゲット１２２から反射された又はターゲット１２２を透過した信号ビーム１２６を受信するように配置される。レシーバーは、画像形成デバイス１２８と、ピクセル１３０のアレイとを備える。

コヒーレント光源のコヒーレンス時間は、用途に応じて変化してもよい。例えば、近距離（数メートル）３Ｄ撮像用途に、低コストの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は長いコヒーレント時間を有する長い分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）を備えるコヒーレント光源を使用してもよい。

トランスミッタ１０２は、ターゲットを全体として又はポイント毎に照明することができる。レシーバー１０３は、ターゲットからの光を処理し、戻り信号の振幅及び位相を処理及び抽出し、次いで戻り信号を処理して画像を形成する。

随意的には、図１に示されるように、レシーバーブロック及びトランスミッタブロックは、コヒーレント光源から出力される光信号の位相及び／又は振幅で電気信号を符号化する変調器を含んでもよい。例えば、ヘテロダイン検出のために正弦波電気信号を利用してもよい。１つ以上の測距用途では、電気的変調は、ターゲットの画像から時間領域情報（time domain information）を抽出できるように、線形周波数チャープ又は２進符号化位相／振幅を含む。１つ以上のホモダイン実施形態では、変調は不要である。

ビーム形成及び画像形成は、物理レンズ、ミラー、ソリッドステート式光フェーズドアレイ又は機械式ステアリングを含む様々なデバイスを使用して達成することができるが、これらのデバイスに限定されない。一実施形態では、ターゲットの全体がフラッシュで照明され、この場合、ビームステアリングは不要である。

［例示的なコヒーレント撮像ユニットセル］
図２は、受信信号１２６の位相及び振幅を両方とも検出可能なコヒーレントピクセル１３０を備えるレシーバーアレイの、例示的な基礎的要素を示す。各ピクセルは、画像形成デバイス１２８によって捕捉領域上に結像された信号ビームの一部を収集信号２０１として収集するための捕捉領域２００（例えば、グレーティングカプラ又は光アンテナ）と、参照ビーム１１２及び収集信号２０１を複数の経路に沿って複数のカプラ２０４に分配する複数の導波路２０２とを備える。異なる経路内の収集信号は異なる位相シフトを有し、また各カプラは、複数の混合信号２０６を形成するように、参照ビームと、位相シフトにおいて異なる位相シフトを有する収集信号のうち異なる収集信号とを混合する。１つ以上の実施形態では、画像形成デバイス１２８（例えば、光フェーズドアレイ）は、異なる経路内の収集信号が異なる位相シフトを有するように、ターゲットから受信した電磁波１２６を位相シフトする。

各ピクセルはさらに、各混合信号を検出し、且つ、検出に応答して複数の出力信号２１０を出力するように、カプラの出力に接続された複数の検出器２０８を備える。したがって、混合信号は、参照ビーム１１２及びピクセル信号２０１をＮ個の経路に分割し（Ｎ＝２、３、４、又はそれ以上）、それらを適切な位相差で組み合わせることによって、２つ以上の出力を有することができる。Ｎ＝２の場合、位相差を９０oにすることができる。Ｎ＝４の場合、位相差を、例えば４５°、９０°、及び１３５°にすることができる。

図２に示されるＮ＝２の場合の特定の実施例では、ピクセル１３０は、受信信号２０１を分割し、２つの経路内で参照信号１１２と混合する。２つの経路は、参照信号１１２を受信信号２０１と混合し、また、１／４波長（π／２）を有する相対的なピクセル（又は参照）経路差を除いて同一である。この構造は、９０°ハイブリッドとして知られている。その結果、混合された光信号は、お互いの同位相成分及び直交成分である。次いで、同位相混合及び直交混合信号は、光検出器２０８に供給されて、ダウンコンバートされた電気信号を生成する。したがって、Ｎ＝２の場合のある例示的な実施形態では、カプラ２０４は、第１カプラ２０４ａ及び第２カプラ２０４ｂを備え、収集信号２０１は、第１信号２０１ａと、第１信号に対して９０度の位相シフトを有する第２信号２０１ｂとを含み、混合信号は、第１混合信号２０６ｂ及び第２混合信号２０６ａを含み、第１カプラは、第１信号を参照ビームと混合して、同位相信号を含む第１混合信号２０６ｂを形成し、第２カプラは、第２信号を参照ビームと混合して、直交信号を含む第２混合信号２０６ａを形成し、検出器２０８は、同位相信号を検出する第１検出器２０８ａと、直交信号を検出する第２検出器２０８ｂとを備える。図示の実施形態では、結合／混合は、方向性カプラ２０４を使用して達成され、検出は、混合されていない光学成分を差し引くように構成されるバランス検出器２０８を使用して達成される。他の実施形態では、信号結合のために、単一の光検出器と共にＹ字状分岐が使用される。例示的なカプラ２０４は、限定はしないが、十分小さなギャップによって分離された導波路セクションを含み、このギャップにより、導波路セクション間又はビームスプリッタ間で、収集信号に関連する電磁場を結合することができる。

図２は、不所望の位相（例えば、Ｎ＝２の経路を有する実施形態の場合、９０°以外）に対する相対的な経路を変更する製造欠陥を補正するために、経路の１つに光位相チューナが組み込まれている実施例を示している。

電気出力ピクセルが２個ある場合、信号２０１及び参照経路信号１１２は、以下のように与えられる。

ここで、Ａ_１（ｔ）、Ａ_２（ｔ）、Ｐ_１（ｔ）及びＰ_２（ｔ）は、光信号における符号化された電気変調であり、ηはターゲットの複素反射率又は透過率であり、ω_ｏｐｔは光キャリア周波数であり、Φ_ｏｐｔ及びΦ'_ｏｐｔは、レーザ位相ノイズ及び光路長の変更とともに変動する光路位相である。コヒーレントピクセル１３０を使用して合成した後、電気出力電流は、以下のようになる。

ここで、Ｒは光検出器の感度であり、δΦ_ｏｐｔ＝Φ_ｏｐｔ－Φ’_ｏｐｔである。電流の二乗（ＳＳＱ）を合計することにより、キャリア位相差δ￠_ｏｐｔへの従属が除去される。

このようにして、キャリア周波数及びそのすべてのノイズの寄与が抑制される。

別の実施形態では、光位相ノイズは、さらなる処理のために抽出される。ＳＳＱの計算後、Ｐ_１（ｔ）－Ｐ_２（ｔ）－δΦ_ｏｐｔを抽出することができる。位相符号化が使用される場合、Ｐ_１（ｔ）≠０、Ｐ_２（ｔ）≠０、及びＰ_１（ｔ）－Ｐ_２（ｔ）は、ターゲットについての情報と共に、信号上の付加的ノイズとして振る舞うレーザ位相ノイズを含むことができる。

［例示的な行－列読み出し（Row-Column Readout）及び拡張可能なアパーチャ］
コヒーレント撮像ユニットを実装する半導体プラットフォーム（ＣＭＯＳシリコンフォトニクス等）を使用するＮ×Ｍ平面ピクセルアレイでは、出力電気信号増幅用且つ検出用の電気回路構成にルーティングすると、電気的相互接続が困難になるおそれがある。これらの難点は、行－列選択信号を利用して、第１ピクセルセットを有効（enable）にしながら他のピクセルを無効にし、それにより、一度にピクセルのサブグループのみを読み取ることにより対処することができる。選択信号は、個々のピクセルに含まれるＣＭＯＳスイッチを使用して実施でき、各ピクセルはローカルな初段増幅器を含み、スイッチング信号はこの増幅器の供給電圧を含む。しかしながら、ＣＭＯＳスイッチは、集積型フォトニクスプラットフォーム内に集積型電気トランジスタブロックを実装することを必要とし、大型のアパーチャ（aperture）を実装することのコスト及び複雑さを増大させる。

低コストの方法でこれらの問題を克服するために、図３は、行－列読み出し回路が、集積型フォトニクスプラットフォーム内に容易に実装可能な電気ダイオード３００を備える実施形態を示す。より詳細には、回路アーキテクチャは、バランス検出器２０８、３０４のダウンコンバートされた電気出力３０２と直列なダイオード３００を備え、その結果、各ピクセルは、直列ダイオード３００が順方向にバイアスされているときにのみ、読み出しのために有効にされる。フォトニクス検出器（フォトダイオード３０４）は、共通バイアスライン３０６に沿って加えられるバイアスノードＶｂｉａｓ１及びＶｂｉａｓ２を使用して、逆方向バイアスに保たれる。電荷が蓄積することを防止することにより、光検出器２０８、３０４を保護するために、２つの抵抗器３０８が検出器２０８、３０４と並列に配置される。

図４は、フォトダイオード３０４に対して逆方向にバイアスをかけるため、且つ、直列ダイオード３００のアノードの電圧を設定するための共通行信号４０６（Ｖｂｉａｓ１及びＶｂｉａｓ２）と共に、矩形グリッド内に行４０２及び列４０４で配置されたピクセル１３０を備える行－列有効アーキテクチャ４００を示す。所与の列４０４内のすべてのピクセル１３０は、共通の列読み出し信号１（Ｉチャンネル）及び列読み出し信号２（Ｑチャンネル）を含む２つの共通出力電圧４０８も共有する。バイアス電圧４０８は、列に対する直列ダイオード３００のカソード電圧を設定する。行－列読み出し動作用にこのアーキテクチャを使用すれば、アクティブピクセル４１０を選択するように、順方向バイアス時のこれらのピクセル１３０における１つの行の直列ダイオードに対して順方向にバイアスをかけ、残りの行の直列ダイオード３００に対して逆方向にバイアスをかけることにより、ピクセル１３０における残りの全ての行を無効にすることが可能である。このように、列ノードは、有効にされた行からの電流のみを含み、Ｎ×Ｎピクセルアレイから全てのアレイを読み出すために、２Ｎ個の信号及び２Ｎ個の増幅器のみが必要とされる。

いくつかの実施例では、利用される技術及び撮像装置（イメージャ）アレイのサイズ次第で、この行－列アーキテクチャは不要である。例えば、別の実施形態では、電気配線は、いくつかの行を付加的な列信号と同時に読み出すことができるように配置される。

［個々のピクセルへの例示的な参照光分配］
図１は、コヒーレント撮像システムの適切な動作のために、アレイ内のすべてのピクセルに分配される参照光１１２を示している。一実施形態では、この分配は、１：Ｎ均等パワー光スプリッタ、又は１：２若しくは１：Ｍスプリッタのカスケードを使用して達成される。

可変型光分配ネットワークを利用すると、いくつかの実施形態では、無効にされた行からの行-列選択ダイオード３００が、信号漏洩を少量にすることができるので、行-列信号分離の改善にとって有益である。その結果、アレイが非常に大きい場合、無効化された列がアクティブな列と干渉し、その結果、ピクセルのダイナミックレンジを低減するおそれがある電流漏洩を蓄積する。可変型光分配ネットワークを用いることにより、望ましくない信号強度を許容可能なレベルまで低減することが可能である。

１つ以上の実施例では、可変型光分配ネットワークは、行-列選択信号を供給するために使用することができる。そのような例では、分配ネットワークは、１つ以上の選択された行のみが局部発振器（ＬＯ）のパワーを受け取る（残りの行を実質的にオフにする）ように、局部発振器のパワー（参照ビーム１１２）の分配を制御するように構成される。しかしながら、いくつかの実施例では（行-列電気ダイオードと同様に）、光分布は不完全であり、一定のダイナミックレンジしか有しない。したがって、行-列ダイオード読み出し回路と組み合わせて結合された可変型光パワー分配（ＴＰＤ）ネットワークのおかげで、ピクセル間の干渉が低減し、信号ダイナミックレンジがより高くなった、はるかに大きなアレイを利用することができる。

図５は、可変型パワー分配装置（ＴＰＤ）が、可変型マッハツェンダ干渉計５０２ベースのパワースプリッタを利用している実施形態を示す。電圧Ｖ Ｃｎｔｒｌを使用して変調器５１２にバイアスをかけることによって制御される２つの経路５０４、５０６の相対位相は、２つの出力ポートＰ_１、Ｐ_２の相対パワーを決定する。ポートＰ_１又はＰ_２のうち一方の出力におけるパワーの一部を測定するために、探知フォトダイオード（sniffer photodiode）５１４が使用される。ｋ番目の干渉計５０２に接続された探知ダイオード５１４から出力される電流Ｉ_ＦＢｋと共に、合計入力パワーＰ_ｉｎが分かれば、各出力ポートにおける出力パワーを算出し、（フィードバックループ５１６を使用して）出力パワーを所望の値へと安定化することができる。

図６は、パワー分配ユニットＴＰＤ、５００、５０２がカスケード接続されて、１つのポートを４つのポートに分割する可変光カプラを作製している実施例を示す。図６は、１：４＝２^２スプリッタの場合、可変カプラの完全な較正には、２つの電流ノードＩ_Ｓ１＝Ｉ_ＦＢ１及びＩ_Ｓ２＝Ｉ_ＦＢ２＋Ｉ_ＦＢ３のみが必要であることを示す（ここで、Ｉ_ＦＢ１，Ｉ_ＦＢ２，Ｉ_ＦＢ３は、３つの干渉計５０２のそれぞれに接続された探知ダイオード３１４から出力される電流である）。較正手法は、全ての光パワーを回路ネットワークの上側ブランチ６０２に向け、変調器５１２に印加される関連電圧Ｖｃｔｒｌ１と、光パワーを監視するために使用された結果として生じるＩ_Ｓ１とを記録する第１ステップを備える。次に、第２ステップにおいて、第２干渉計５０２内の第２変調器５１２に印加されるＶｃｔｒｌ２は、Ｖｃｔｒｌ２を調整して上側ブランチ内の出力における様々な電力比率を達成し、また測定されたＩ_Ｓ２を記録することにより、較正される。その後、第３ステップにおいて、Ｖｃｔｒｌ１は、全てのパワーを下側ブランチ６０４に向けるように設定され、電流Ｉ_Ｓ２は（第２ステップで得られたＩ_Ｓ２と共に）、第３干渉計５０２内の第３変調器５１２に印加されるＶｃｎｔｒｌ３を較正するために使用される。

図７は、可変カプラ５００をカスケード接続して、１：Ｎ＝２Ｍ可変パワースプリッタを作り出した実施形態を示す。より一般的には、パワーをＮ＝２Ｍ個の出力に割り当てるために必要とされる電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ １…ＶＣｎｔｒｌ ｋ）は、パワー分配ＴＰＤ回路５００のＭ個の層６００について、ｊ（１≦ｊ≦Ｍ）番目の層内にあるＴＰＤ回路毎に、ｊ＝１から始めて、
（ａ）ｊ＋１番目の層内にある最も上側のブランチ６０２及び最も下側のブランチ６０４にすべてのパワーをルーティングする場合、ｊ＋１番目の層内にあるｋ個の干渉計のそれぞれに印加される電圧信号（例えば、ＶＣｔｒｌ １…ＶＣｎｔｒｌ ｋ）と、ｊ番目の層内にあるｋ個の干渉計の全てから出力された電流の和（たとえば、Ｉ_ｊ＝Σ_ｋＩＦＢ_ｋ）とを記録すること、及び
（ｂ）（ａ）で得られた知識を考慮して、ｊ＋１番目の層内にある残りの出力のそれぞれに、参照パワーを異なる複数のパワーでルーティングする場合、電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ ｐ）を、ｊ＋１番目の層内にあるｐ個の干渉計５０２に合うよう調整し、ｊ＋１番目の層内にあるｐ個の干渉計の全てから出力される電流信号（例えば、Ｉｊ＋１＝ΣｐＩ ＩＦＢｐ）の合計を記録すること、
により較正され、
その結果、すべての電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ ｋ、ＶＣｎｔｒｌ ｐ）は、Ｍ個の電流ノードのみを使用して較正され、ｊ番目の電流ノードは、ｊ番目の層から出力された電流信号の合計Ｉ_ｊ＝Σ_ｋＩ_ｋを含み、ここでｋは、ｊ番目の層内にあるＴＰＤ回路の数である。

［例示的なトランスミッタ側及びレシーバー側ビーム形成の構成］
レシーバー１０３におけるコヒーレント撮像ピクセル１３０のアレイは、ターゲット１２２を照明するトランスミッタ１０２と、ピクセル１３０上に画像を形成するビーム形成素子１２８とに連携して作動する。

図８は、トランスミッタ１０２が、ｃｏｓ（（１／２）ξ^２ｔ＋ω_ｏｔ）の信号を印加する変調器を使用して、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）チャープで変調されたｃｏｓ（ω_ｏｐｔｔ＋Φ_ｏ）の信号を含むレーザ光を出力する実施例を示す。フラッシュ照明１１８は、ターゲット１２２の全体にＦＭＣＷ変調信号ビーム１２０を照射する。その光パワーの一部は、反射又は透過関数η（ｘ，ｙ，ｚ）に従って、ターゲット１２２によって変調される。残りの変調光は、ビームスプリッタ８０１を使用して取り出され、レシーバーのピクセル１３０のアレイに入力される参照ビーム１１２用のコヒーレント光源として使用される。図８の例では、ターゲット１２２から反射された光は、レシーバーの検出器アレイ８０２（ピクセル１３０を含む）上に画像を形成するレンズ８００を使用して収集される。回路１３２を使用して増幅及びデジタル信号処理（ＤＳＰ）を行うことにより、信号ビーム１２６の強度Ｉ^２＋Ｑ^２＝η（ｘ，ｙ，ｚ）、位相（ΔΦ＋ω_ｏｐｔτ（η））を測定して、ターゲット１２２の深度情報を求めることができる。この技術は、ターゲットを撮像するための最も速い方法の１つを含むが、波長毎の合計放射パワーが制限されることにより、ターゲット上のポイント毎の合計照明パワーが制限される。

図９は、トランスミッタ１０２が、コリメートされたビーム９０２（図８のようにＦＭＣＷチャープで変調される）を使用して、ターゲット１２２をポイント９００毎に照明する別の実施形態を示す。照明ビーム９０２は、ソリッドステート式フェーズドアレイを備えるビームステアリング装置９０４を使用して、機械的に又は電気的に操舵される。ターゲットから反射された光１２６は、レンズ８００を使用して収集され、画像は、レシーバーの検出器アレイ８０２（ピクセル１３０を備える）上に形成される。この方法は、信号感度を増加させ、波長毎の最大許容照明を制限し、全てのパワーを単一のポイントに集中させ、高い画像捕捉速度を犠牲にして最大信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供する。

図１０は、トランスミッタ１０２が、マルチビーム照明１０００を使用して、複数の点９００でターゲット１２２を照射する、さらに別の実施形態を示す。様々な例では、機械式ビームステアリング装置、回折格子、又はソリッドステート式ビーム形成デバイス（例えば、半波長間隔よりも大きい光フェーズドアレイ）を備えるビームステアリング１００４を使用して、マルチビーム照射１０００が生成され、ターゲット１２２を横切って走査される。照明の複数のポイント９００は、レンズ８００（又は他の画像形成デバイス）を使用して、コヒーレント撮像ピクセル１３０上に画像を形成するように反射される。この実施形態は、図８及び図９の２つの方法の間のトレードオフをもたらし、トランスミッタのビーム形成要件を簡略化する。

図１１は、（デジタルビーム形成能力を有するデジタル位相シフタアレイ１１００を使用して）デジタル領域内の異なるピクセル１３０間の同位相信号Ｉ及び直交信号Ｑの相対位相を調整することにより、デジタル領域内に画像を形成する実施例を示す。このシステムの実施形態は、図８～１０に示されるシステムの実施形態と比較して、コンパクト性が向上している。

［高ダイナミックレンジ分解能の深度画像化のための例示的な変調方式］
図８～１１は、ＦＭＣＷチャープで変調された信号ビームを示すが、他の変調方式（又は変調なし）を使用してもよい。参照経路及び照明経路の変調方式は、深度測定の深度分解能及びダイナミックレンジを決定する。ＦＭＣＷ信号を使用する基本振幅変調が、所望のダイナミックレンジを有する一方で、ＲＦ位相測定は、より高い分解能を特徴とするが、ダイナミックレンジが不十分である。ＲＦ位相変調及びＦＭＣＷ振幅変調の組合せを使用する１つ以上の実施形態では、コヒーレント撮像システムは、所望の高ダイナミックレンジと、高解像度とを両方とも達成する。

いくつかの変調方式は、撮像ターゲットの距離情報及び速度情報の両方を同時に生成することができる。時間距離の測定用に使用される整合フィルタの場合、スペクトルの広帯域化により、光が、異なる距離にある複数のターゲットから戻ってくることができ、これにより、より高精度のシーン再構成を導くことができる。

［例示的な光フェーズドアレイ］
図１２は、コヒーレント撮像システムにおけるビーム形成１１８及び／又は画像形成１２８のための例示的な（例えば、光）フェーズドアレイ１２００を示す。光フェーズドアレイ１２００は、入力又は出力Ｉ／Ｏと、パワープロセッサ１２０２（例えば、パワースプリッタ又はコンバイナ）と、光位相シフタ１２０４と、放射素子又は受信素子１２０６（例えば、光アンテナ）と、並びに、パワープロセッサ１２０２及び光位相シフタ１２０４を介して素子１２０６をＩ／Ｏに接続する導波路１２０８とを備える。

例示的な位相シフタは、限定されるものではないが、位相シフタ回路を使用してバイアスをかけられた１つ以上の電極に接続された材料を有するデバイスを含み、位相シフタ回路を介して電極に印加される電圧は、材料に電場を印加し、電場は、材料の屈折率を変調し、したがって、材料を通って送信される電磁波の位相を変調する。１つ以上の実施例では、位相シフタは、電気光学効果を介して屈折率が変調される電気光学変調器を備える。

例示的なパワーコンバイナ及びスプリッタは、限定されるものではないが、導波路間にブランチ（たとえば、Ｙ字状分岐）を含む。

一実施例では、光フェーズドアレイが、トランスミッタ１０２におけるビーム形成デバイス１１８として実装される場合、Ｉ／Ｏデバイスは、レーザ、又は、レーザ若しくはレーザアレイに接続されたファイバを含む。別の実施例では、光フェーズドアレイ１２００が、ターゲットから信号ビームを受信する画像形成デバイス１２８として実装される場合、Ｉ／Ｏデバイスは、アンテナ、又は電磁波１２６を結合するためのファイバカプラを含む。

他の例示的なビーム形成デバイス及び画像形成デバイスとして、限定されるものではないが、機械式ビームステアリング装置（例えば、ジンバル等の機械式マウントに取り付けられたミラー）、電気光学式ビームステアリング装置（例えば、電気光学効果を介して電磁波の方向を制御する液晶又は他の材料を含む）、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、又は空間光変調器が挙げられる。

１つ以上の実施形態では、位相シフタは、ピクセル１３０における異なる経路内の収集信号２０１が異なる位相シフトを有するように、ターゲットから受信した電磁波１２６の位相をずらす。

［シリコンフォトニクスの実施例］
図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び１４は、製造ミスマッチに合わせて調整するための集積型熱位相チューナ（integrated thermal phase tuners）を有する同位相ピクセル及び直交ピクセル１３０の８×８アレイのシリコンフォトニクス実施形態を示す。

図１３Ａは、干渉計５０２を備える可変型パワー分配セルの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、第１ブランチ５０４、第１カプラ５０８、第２ブランチ５０６、第２カプラ５１０、及び探知フォトダイオード５１４を示す。

図１３Ｂは、ピクセル１３０のＳＥＭ画像であり、捕捉領域２００、導波路２０２、カプラ２０４、及びバランス型フォトダイオード２０８を示す。図１３Ｃは図１３Ｂの拡大図であり、９０°ハイブリッドミキサーを示す。

図１４は、８×８ピクセル１３０の検出器アレイ１４０２と、ピクセルを読み取るためにバイアス電圧を印加し、ピクセル１３０から出力信号２１０を受信するための接点１４０４とを備えるチップ１４００のダイ写真である。アレイ１４０２は、１６列に対して１６個の出力電流を有する行－列読み出しアーキテクチャを備える。チップ１４００はさらに、アレイ１４０２内のピクセル１３０へのＬＯ参照ビーム１１２の分配を制御するセル５０２の１：８可変型振幅分布ネットワークを備える。

ＲＦ信号及びＲＦ信号に対して１００ｋＨｚの差を有する周波数で振幅変調された参照経路及び照明経路を用いて、図１３－１４に示される検出器アレイ１４０２及びＴＰＤを備えるコヒーレント撮像システム１００を試験した。図１５及び図１６は、２つの異なる時間インスタンスで、また異なる経路位相不整合を用いて、同位相（Ｉ）チャンネル及び直交（Ｑ）チャンネルの両方について捕捉された、単一のピクセル１３０からの出力信号を示す。どちらのチャンネルも、１００ｋＨｚでダウンコンバートされた信号を示しており、いかなる場合も、レーザ及び位相の変動は、２つの経路のどちらにおいてもゼロ出力信号をもたらすことはない。

［処理ステップ］
図１７は、コヒーレント撮像システム１００の製造方法を示すフローチャートである（図１－１５及び１９－２０も参照）。

ブロック１７００は、電磁波１０６のコヒーレント光源１０４と、電磁波を信号ビーム１１０と参照ビーム１１２に分割するためのパワースプリッタ１０８と、を備えるトランスミッタ１０２を準備するステップを表す。１つ以上のヘテロダイン式の実施例では、トランスミッタはさらに、変調電磁波１１６を有する信号ビーム１１０を形成するように、電磁波の位相又は振幅のうち少なくとも１つを変調するための変調器１１４を備える。ホモダイン式の実施例では、変調器が必要でない場合がある。

随意的には、トランスミッタ１０２はさらに、信号ビーム１２０をターゲット１２２に送信するように構成及び配置されるビーム形成器１１８を備えてもよい。別の実施例では、トランスミッタは、ビーム形成をせずに電磁波をターゲットに照射させる照明器又はフラッシュ照明を備える。

ブロック１７０２は、ターゲットと相互作用した（例えば、ターゲットから反射された又はターゲットを透過した）信号ビーム１２６を受信するように、レシーバー１０３を準備及び配置するステップを表す。このステップは、ピクセル１３０のアレイに接続された画像形成デバイス１２８を備えるレシーバー１０３を準備するステップを含む。各ピクセル１３０は、画像形成デバイス１２０によってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集するための手段（例えば、捕捉領域２００）と、収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割／分配するための手段（例えば、スプリッタ及び／又は導波路２０２）と、複数の混合信号を形成するように、各収集信号を参照ビームと混合するための手段（例えば、カプラ２０４）と、並びに、混合信号に応答して、複数の出力電気信号を出力するための手段（例えば、検出器２０６）とを備える。

随意的には、ブロック１７０４は、さらなる処理のために出力信号を増幅するための回路１３２又は回路構成を準備及び接続するステップを表す。

ブロック１７０６は、最終結果物であるコヒーレント撮像システム１００を表す。コヒーレント撮像システムは、限定されるものではないが、以下（図１～２０を参照する参照番号）を含む多くの方法で具現化することができる。

（実施例１）
コヒーレント撮像システム１００において、トランスミッタ１０２であって、電磁波１０６のコヒーレント光源１０４、及び変調電磁波を参照ビーム１１２と信号ビーム１１０に分割するためのパワースプリッタ１０８を含む、該トランスミッタ１０２と、ターゲットから反射された又はターゲットを透過した信号ビーム１２６を受信するように配置されるレシーバー１０３とを備える、コヒーレント撮像システム。レシーバーは、画像形成デバイス１２８と、ピクセル１２０のアレイとを含む。１つ以上の実施形態では、各ピクセルは、画像形成デバイスによって捕捉領域上に結像された信号ビームの一部を収集信号２０１として収集するための捕捉領域２００と、参照ビーム及び収集信号を、複数の経路に沿って複数のカプラ２０４に分配する複数の導波路２０２とを有する。異なる経路内の収集信号は、異なる位相シフトを有し、各カプラは、複数の混合信号２０６を形成するように、参照ビームと、位相シフトのうち異なる位相シフトを有する収集信号のうち異なる信号とを混合する。各ピクセルはさらに、各混合信号を検出し、且つ、検出に応答して複数の出力信号２１０を出力するように、カプラの出力に接続された複数の検出器２０８を含む。１つ以上のさらなる実施形態では、ピクセル１３０のアレイは、実施例２３又は２４又は２９又は３０の検出器アレイを含む。

（実施例２）
実施例１のコヒーレント撮像システムにおいて、カプラ２０４は、第１カプラ２０４ａ及び第２カプラ２０４ｂを含み、収集信号２０１は、第１信号２０１ａと、第１信号に対して９０度の位相シフトを有する第２信号２０１ｂとを含み、混合信号は、第１混合信号２０６ｂ及び第２混合信号２０６ａを含み、第１カプラは、第１信号を参照ビームと混合して、同位相信号を有する第１混合信号を形成し、第２カプラは、第２信号を参照ビームと混合して、直交信号を有する第２混合信号を形成し、検出器２０８は、同位相信号を検出する第１検出器２０８ａ、及び直交信号を検出する第２検出器２０８ｂと、を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例３）
実施例１又は２に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、回路は、出力信号２１０の二乗を合計（１３２）する（例えば、出力信号は電流を含み、回路は、電流Ｉ_１、Ｉ_２、…Ｉ_ｎの二乗を合計して、ＳＳＱ＝Ｉ_１ ^２＋Ｉ_２ ^２＋…Ｉ_ｎ ^２を形成する）、コヒーレント撮像システム。

（実施例４）
実施例１または３に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、収集信号２０１は、第１信号と、第１信号に対して第１角度（例えば、４５°）の位相シフトを有する第２信号と、第１信号に対して第２角度（例えば、９０°）の位相シフトを有する第３信号と、第１信号に対して第３角度（例えば、１３５°）の位相シフトを有する第４信号とを含み、カプラ２０４は、第１混合信号、第２混合信号、第３混合信号及び第４混合信号を含む混合信号２０６を出力する、第１カプラ、第２カプラ、第３カプラ及び第４カプラを含み、検出器２０８は、第１混合信号を検出する第１検出器、第２混合信号を検出する第２検出器、第３混合信号を検出する第３検出器、第４混合信号を検出する第４検出器を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例５）
実施例１～４のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、各検出器２０８は、一対のバランス検出器（ＢＤ）、例えば、同位相成分又は逆位相成分を抽出するための平衡検出器を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例６）
実施例１～５のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタのアパーチャ１３４及びレシーバーのアパーチャ１３６が同一である、又は、トランスミッタのアパーチャ及びレシーバーのアパーチャを全く同一にすることができる、コヒーレント撮像システム。トランスミッタアパーチャは、信号ビーム１２０をターゲットに出力するトランスミッタの全表面積（例えば、ビーム形成器１１８の全表面積）を有し、レシーバーアパーチャは、ターゲットから受信した信号ビーム１２６を捕捉するレシーバーの全表面積（例えば、画像形成デバイス１２８の全表面積）を有する。

（実施例７）
実施例１～６のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタのアパーチャ及びレシーバーのアパーチャは、信号ビームの送信及び受信の両方のための同一の光アンテナを備え又は共有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例８）
実施例１～７のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムであって、トランスミッタのアパーチャ及びレシーバーのアパーチャは、信号ビームの送信及び受信中に信号ビームをビーム形成するための、同一の光ビーム形成システム（例えば、物理レンズ、光フェーズドアレイ）を備える又は共有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例９）
実施例１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、レシーバーはさらに電気制御回路１３８を含み、電気制御回路は、ピクセルのうち１つ以上の選択された行４０４からの出力信号の読み出しを選択し、且つピクセルのうち残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、行有効信号４０２を用いてピクセル１３０にバイアスをかける、コヒーレント撮像システム。

（実施例１０）
実施例９に記載のシステムにおいて、ピクセルは行４０２及び列４０４で配置され、電気制御回路は、行のうち１つ以上の行内にある各ピクセル１３０に接続された複数の共通行バイアスライン３０６と、列のうち１つ以上の列内にある各ピクセルに接続された複数の共通列バイアスライン４０６とを含む、システム。各ピクセルはさらに、一対の共通行バイアスライン３０６（Ｖｂｉａｓ１及びＶｂｉａｓ２）の間に直列に接続される２つのバランス型フォトダイオード３０４を有する各検出器２０８を含む。電気制御回路はさらに、フォトダイオードと並列に接続され、且つ、一対の共通行バイアスライン３０６の間に接続される保護抵抗３０８を含む。電気回路はさらに少なくとも１つのダイオード３００を含み、ダイオード３００は、各フォトダイオードからの出力と直列に接続されたアノード及びカソードを含む。

一対の共通行バイアスライン３０６（Ｖｂｉａｓ１及びＶｂｉａｓ２）は、フォトダイオードに逆バイアスをかけ、少なくとも１つのダイオード３００のアノードの電圧を設定し、共通列バイアスライン４０６は、
（１）１つ以上の選択された行４０２から出力信号２１０を読み出すために、選択された行４０２内のダイオード３００に、順方向バイアスをかけ、且つ
（２）残りの行のダイオード３００に逆バイアスをかけるように、
少なくとも１つのダイオード３００のカソードにバイアスをかける。

（実施例１０）
実施例１～９のいずれかに記載のシステムにおいて、レシーバーはさらに、ピクセルのうち１つ以上の選択された行からの出力信号の読み出しを選択し、またピクセルの残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、ピクセル１３０のうち１つ以上の選択された行４０２にのみ参照ビームを分配するスプリッタ５００を含む、システム。

（実施例１１）
実施例１０にシステムにおいて、スプリッタは１つ以上の干渉計５０２を含み、各干渉計は、第１出力Ｐ１及び参照ビーム１１２を受信するための入力ＰＩＮを有する第１ブランチ５０４と、第２出力Ｐ２を有する第２ブランチ５０６とを含む、システム。各干渉計はさらに、第１ブランチ及び第２ブランチを接続する第１カプラ５０８と、第１ブランチ及び第２ブランチを接続する第２カプラ５１０とを含む。第２カプラは、第１ブランチと直列に配置される。各干渉計はさらに、第１ブランチ又は第２ブランチに接続される可変型電圧変調器５１２を含み、電圧可変変調器は、第１出力Ｐ１及び第２出力Ｐ２において出力される参照ビームの相対パワーを制御するように、電圧変調器に電圧信号ＶＣｎｔｒ１、ＶＣｎｔｒ２が入力されたことに応答して、第１ブランチ又は第２ブランチのうち少なくとも一方における参照ビームの相対位相を制御する。

（実施例１２）
実施例１１に記載のシステムであって、スプリッタはさらに、干渉計に接続される参照検出器５１４を含み、参照検出器は、第１出力又は第２出力における参照ビームの相対パワーの一部を監視する電流信号ＩＦＢ１、ＩＦＢ２を出力する、システム。

（実施例１３）
実施例１２に記載のシステムにおいて、電流信号をフィードバックとして使用して電圧信号を制御する電気制御ループ５１６を含むパワー分配回路１４０を備える、システム。

（実施例１４）
・ 実施例１０～１３のいずれかに記載のシステムにおいて、スプリッタは、複数のカスケード可変型パワー分配（ＴＰＤ）回路（例えば、カスケード型干渉計５０２）を含む、システム。

（実施例１５）
実施例１０～１４のいずれかに記載のシステムにおいて、干渉計又はＴＰＤはＭ個の層６００（Ｍは整数）内に分布され、この分布は、層のうち前の層における１つ以上の干渉計５０２の第１出力Ｐ１及び第２出力Ｐ２がそれぞれ、層のうち次の層における干渉計のうち異なる干渉計の入力ＰＩＮに供給され、それにより参照ビームを分割することができ、層のうち第１層における干渉計の入力に入力され、層のうち最後の最後の層における干渉計の第１出力及び第２出力を含むＮ個の出力に供給されることができるよう分布される、システム。Ｎ＝２Ｍ個の出力にパワーを割り当てるのに必要とされる電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ １、ＶＣｎｔｒｌ ２、ＶＣｎｔｒｌ ３、ＶＣｎｔｒｌ ｋ）は、パワー分配ＴＰＤ回路によって、Ｍ個の層について、ｊ（１≦ｊ≦Ｍ）番目の層内にあるＴＰＤ回路毎に、ｊ＝１から始めて、
（ａ）ｊ＋１番目の層内にある最も上側のブランチ６０２及び最も下側のブランチ６０４に全てのパワーをルーティングする場合、ｊ＋１番目の層内にあるｋ個の干渉計のそれぞれに印加される電圧信号（例えば、ＶＣｔｒｌ １...ＶＣｎｔｒｌ ｋ）と、ｊ番目の層内にあるｋ個の干渉計の全てから出力された電流の合計（例えば、Ｉ_ｊ＝ＩＦＢ１＋...ＩＦＢｋ）とを記録し、また
（ｂ）（ａ）で得られた知識を考慮して、ｊ＋１番目の層内にある残りの出力のそれぞれに、参照ビームを異なるパワーでルーティングする場合、電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ ２、ＶＣｎｔｒｌ ３、ＶＣｎｔｒｌ ｐ）を、ｊ＋１番目の層内にあるｐ個の干渉計５０２に合うよう調整し、また、ｊ＋１番目の層内にあるｐ個の干渉計の全てから出力された電流信号の合計（例えば、Ｉ_２＝ＩＦＢ２＋ＩＦＢ３＋...ＩＦＢｐ）の合計を記録するように、
較正され、
その結果、全ての電圧信号（例えば、ＶＣｎｔｒｌ １、ＶＣｎｔｒｌ ２、ＶＣｎｔｒｌ ３、ＶＣｎｔｒｌ ｋ、ＶＣｎｔｒｌ ｐ）は、Ｍ個の電流ノードのみを使用して較正され、ｊ番目の電流ノードは、ｊ番目の層から出力された電流信号の合計Ｉ_ｊ＝Ｉ_１＋Ｉ_２＋...＋Ｉ_ｋを含むことになり、ここでｋは、ｊ番目の層内にあるＴＰＤ回路の数である。

（実施例１６）
実施例１～１５のいずれかに記載のシステムにおいて、ビーム形成器１１８は、第１レンズ、第１ミラー、第１ビームステアリング装置、又はターゲット１２２の全体に信号ビーム１２０を照射する第１フェーズドアレイ１２００のうち少なくとも１つを含む、システム。画像形成デバイス１２８は、第２レンズ８００、第２ミラー、第２ビームステアリング装置、又はターゲットとの相互作用後に、信号ビーム１２６をピクセル１３０上に結像する第２フェーズドアレイ１２００のうち少なくとも１つを含む。

（実施例１７）
実施例１～１５のいずれかに記載のシステムであって、ターゲットは、異なる点又は領域９００を有し、ビーム形成器は、ターゲット上の異なる点又は領域９００上に向けて、少なくとも１つのコリメートビーム９０２を有する信号ビームを操舵する第１ビームステアリング装置９０４又は第１フェーズドアレイ１２００を含む、システム。画像形成デバイス１２８は、第２ミラー、第２レンズ８００、第２ビームステアリング装置、又は点９００又は領域との相互作用後に、少なくとも１つのコリメートビームをピクセル１３０上に結像する第２フェーズドアレイ１２００のうち少なくとも１つを含む。

（実施例１８）
実施例１７に記載のシステムにおいて、信号ビーム１２０は、複数のコリメートビーム１０００を含み、第１ビームステアリング装置１００４又は第１フェーズドアレイ１２００は、すべての点９００又は領域にわたって各コリメートビームを走査する、システム。

（実施例１９）
実施例１～１８のいずれかに記載のシステムにおいて、レシーバー１０３は、各ピクセルが異なる参照位相を有する参照ビームを受信するように、各ピクセルに送信される参照ビームの参照位相を調整する制御回路１４２を含む、システム。

（実施例２０）
実施例１～１９のいずれかに記載のシステムにおいて、トランスミッタ１０２はさらに、測距用途用の出力信号から時間領域情報を抽出するように、少なくとも１つの線形周波数チャープ、又は少なくとも１つの２進符号化位相若しくは振幅のうち、少なくとも一方を用いて電磁波を変調する変調器を含む、システム。

（実施例２１）
実施例１～２０のいずれかに記載のシステムにおいて、捕捉領域２００は１つ以上の光アンテナを含む、システム。

（実施例２２）
実施例１～２１のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムであって、コヒーレント撮像システムは、出力信号２１０を、コヒーレントトモグラフィ、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）、リモートセンシング、ロボット工学、自動化、空中結像、又は分光法から選択される用途に使用できるように構成され、電磁波のコヒーレント光源は１つ以上のレーザ１０４を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例２３）
電磁波のコヒーレント検出のため、ピクセル１３０のアレイを備える検出器アレイ８０２、１４０２であって、各ピクセルは、画像形成デバイスによってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集するための手段（例えば、捕捉領域２００及びその均等物）と、収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割するための手段（例えば、導波路２０２及びその均等物）手段と、複数の混合信号を形成するように、各収集信号を参照ビームと混合するための手段（例えば、カプラ２０４及びその均等物）と、混合信号を検出し（例えば、検出器２０８及びその均等物）、混合信号に応答して複数の出力電気信号を出力するための手段（及びその均等物）と、を含む、検出器アレイ。

（実施例２４）
実施例２３に記載の検出器アレイにおいて、収集するための手段、分割するための手段、混合するための手段、及び出力するための手段は、１つ以上のフォトニック集積回路１４００を含み、又は１つ以上のフォトニック集積回路１４００を使用して実装される、検出器アレイ。

（実施例２５）
実施例１～２２のいずれかに記載のコヒーレント撮像システム１００であって、実施例２３又は２４の検出器アレイを備える、コヒーレント撮像システム。

（実施例２６）
ＣＭＯＳ撮像装置（例えば、相補型金属酸化膜半導体撮像装置、若しくはＣＭＯＳで実装される撮像装置）及び／又は無線周波数（ＲＦ）レーダと組み合わせた実施例１～２５のいずれかに記載のシステムを備える、マルチモーダル撮像システム。

（実施例２７）
実施例１～２６のいずれかに記載の撮像システムであって、コンピュータ１９００上で実行される人工知能（ＡＩ）又は機械学習を利用して、出力信号を含む撮像装置出力データを圧縮する、撮像システム。１つ以上の実施例では、ＡＩ又は機械学習は、出力信号を使用して撮像装置出力データを圧縮（例えば、画像圧縮）するように訓練される。

（実施例２８）
実施例１～２７のいずれかに記載の撮像システムコンピュータ１９００上で実行される人工知能（ＡＩ）又は機械学習アルゴリズムを利用して、対象物が、コヒーレント撮像システムを形成する出力信号を分析するＡＩ又は機械学習アルゴリズムによって検出及び分類されるように、対象物検出及びターゲット／対象物分類のために出力信号を処理する、撮像システム。１つ以上の実施例では、ＡＩ又は機械学習は、出力信号を使用してターゲットを検出及び／又は分類するように訓練される。

（実施例２９）
電磁波のコヒーレント検出のため、ピクセル１３０のアレイを備える検出器アレイ８０２、１４０２であって、各ピクセルは、（例えば、以下を行うよう構成される）
画像形成デバイスによってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集する、
収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割する、
複数の混合信号を形成するように、各収集信号を参照ビームと混合する、及び
混合信号を検出し、混合信号に応答して複数の出力電気信号を出力する
よう構成された１つ以上のフォトニック集積回路又は回路構成１４００を含む、検出器アレイ。

（実施例３０）
電磁波のコヒーレント検出のため、ピクセル１３０のアレイを備える検出器アレイ８０２、１４０２であって、各ピクセルは、画像形成デバイスによってピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集するための手段２００と、収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割するための手段２０２と、複数の混合信号を形成するように、各収集信号を参照ビームと混合するための手段２０４と、及び、混合信号を検出し、混合信号に応答して複数の出力電気信号を出力するための手段２０８（及びそれらの均等物）と、を含む、検出器アレイ。

（実施例３１）
実施例１～３０のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタ１０２はさらに、ターゲットに伝送される変調電磁波１１６を含む信号ビーム１１０を形成するように、位相又は振幅のうち少なくとも一方を変調するための変調器１１４を備える、コヒーレント撮像システム。

（実施例３２）
実施例１～３１のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムであって、トランスミッタはさらに、信号ビーム１１０をターゲットに送信する照明器、フラッシュ照明、又はビーム形成器１１８を含む、コヒーレント撮像システム。

（実施例３３）
実施例１～３２のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムであって、トランスミッタ及びレシーバー、又はトランスミッタアパーチャ及びレシーバーアパーチャは、共通のビーム形成機構を有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例３４）
実施例１～３３のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、トランスミッタ及びレシーバー、又は実施例３３のビーム形成機構、又はレシーバーアパーチャ及びトランスミッタアパーチャは、送信及び受信の両方のための共通アンテナを有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例３５）
実施例１～３４のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムであって、さらに、さらなる処理のために出力信号２１０を増幅する回路１３２又は増幅器を備える、コヒーレント撮像システム。

（実施例３６）
実施例１～３５のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムにおいて、電磁波及び信号ビームは、限定されるものではないが、４００ナノメートル（ｎｍ）～１０マイクロメートル、３６０ｎｍ～８６０ｎｍ、１０００～１７００年ｎｍ、最大でｍｍの波長、光波長、可視波長、赤外線波長、又は通信波長の範囲の波長を有する、コヒーレント撮像システム。

（実施例３７）
実施例３６に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、フォトニック集積回路、収集するための手段（例えば、捕捉領域２００、１つ又は複数の光アンテナ）、分割するための手段（例えば、導波路２０２）、混合するための手段（例えば、カプラ２０４）、及び検出するための手段（例えば、検出器２０８）は、４００ナノメートル（ｎｍ）～１０マイクロメートル、３６０ｎｍ～８６０ｎｍ、１０００～１７００年ｎｍ、最大でｍｍの波長、光波長、可視波長、赤外線波長、又は通信波長の範囲の波長を有する電磁波を、収集、分割、混合又は検出するように、構成及び／又は寸法設定されている、コヒーレント撮像システム。

［作動方法］
図１８は、上記のブロック１７０６の実施例１～３７のいずれかに記載のコヒーレント撮像システムを使用して撮像する方法を示しており、随意的に、検出器アレイ（例えば、実施例１５の干渉計）を較正するステップ１８００と、トランスミッタ１０２を使用してターゲットに電磁波を送信するステップ１８０２と、ターゲットと相互作用した後の電磁波を、コヒーレント撮像を使用してピクセル１３０の検出器アレイ８０２、１４０２上に収集して、出力信号を形成するステップと、ある用途のために出力信号を処理するステップとを備える。

［ハードウェア環境］
図１９は、本発明の１つ以上の実施形態を実装するために使用される例示的なハードウェア及びソフトウェア環境１９００（コンピュータ実施システム及び／又はコンピュータ実施方法と呼ばれる）である。ハードウェア及びソフトウェア環境は、コンピュータ１９０２を含み、周辺機器を含んでもよい。コンピュータ１９０２は、ユーザ／クライアントコンピュータ、サーバコンピュータ、又はデータベースコンピュータであってもよい。コンピュータ１９０２は、ハードウェアプロセッサ１９０４Ａ及び／又は専用ハードウェアプロセッサ１９０４Ｂ（以下、プロセッサ１９０４と総称する）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のメモリ１９０６とを備える。コンピュータ１９０２は、キーボード１９１４及びカーソル制御デバイス１９１６等の入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスを含む他のデバイスに接続されてもよく、及び／又は統合されてもよい。１つ以上の実施形態では、コンピュータ１９０２は、ポータブル又はモバイルデバイス１９３２（たとえば、セルラーデバイス、ラップトップ、タブレット、スマートフォン、マルチタッチデバイス、又は様々なプラットフォーム及びオペレーティングシステム上で実行する他のインターネット対応デバイス）に接続されてもよく、又はそれらを備えてもよい。

一実施形態では、コンピュータ１９０２は、オペレーティングシステム１９０８の制御下で、コンピュータプログラム１９１０によって定義される命令（例えば、信号処理、ビームステアリング、変調、行－列読み出しのためのバイアス、ＡＩ若しくは機械学習アプリケーション、又は本明細書で説明する他のコンピュータ実施可能機能若しくは方法）を実行するハードウェアプロセッサ１９０４Ａによって作動する。コンピュータプログラム１９１０及び／又はオペレーティングシステム１９０８は、メモリ１９０６に記憶されてもよく、また、ユーザ及び／又は他のデバイスと連携して、入力及びコマンドを受け入れ、そのような入力及びコマンド、並びにコンピュータプログラム１９１０及びオペレーティングシステム１９０８によって定義される命令に基づいて、出力及び結果を提供してもよい。出力／結果は、ディスプレイ１９２２上に提示されてもよく、表示又はさらなる処理若しくは動作のために、別のデバイスに提供されてもよい。画像は、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）モジュール１９１８を通じて提供されてもよい。ＧＵＩモジュール１９１８は、別個のモジュールとして示されているが、ＧＵＩ機能を実行する命令は、オペレーティングシステム１９０８、コンピュータプログラム１９１０内に常駐若しくは分散することができ、又は専用メモリ及びプロセッサを用いて実施することができる。

コンピュータプログラム１９１０の命令に従って、コンピュータ１９０２によって実行される動作の一部又は全部は、専用プロセッサ１９０４Ｂ内で実施されてもよい。この実施形態では、コンピュータプログラム１９１０の命令の一部又は全部は、専用プロセッサ１９０４Ｂ内又はメモリ１９０６内の読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）又はフラッシュメモリに記憶されたファームウェア命令を介して実装されてもよい。また、専用プロセッサ１９０４Ｂは、本発明を実施するための動作の一部又は全部を実行するための回路設計を通じて、ハードワイヤードであってもよい。さらに、専用プロセッサ１９０４Ｂは、機能のサブセットを実行するための専用回路構成と、コンピュータプログラム１９１０の命令に応答する等の、より一般的な機能を実行するための他の回路とを含む、ハイブリッドプロセッサであってもよい。一実施形態では、専用プロセッサ１９０４Ｂは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である。

また、コンピュータ１９０２は、プログラミング言語（Ｃ、Ｃ＋＋又は他の言語等）で書かれたアプリケーション又はコンピュータプログラム１９１０を、プロセッサ１９０４の可読コードに翻訳することが可能なコンパイラ１９１２を実装してもよい。代替的には、コンパイラ１９１２は、命令／ソースコードを直接実行する、ソースコードを実行される中間表現に変換する、又は格納されたプリコンパイルコードを実行する、インタプリタであってもよい。そのようなソースコードは、様々なプログラミング言語で書かれてもよい。終了後、アプリケーション又はコンピュータプログラム１９１０は、コンパイラ１９１２を使用して生成された関係及び論理を使用して、Ｉ／Ｏデバイスから受け入れられ、且つコンピュータ１９０２のメモリ１９０６に記憶されたデータにアクセスし、操作する。

また、随意的には、コンピュータ１９０２は、モデム、衛星リンク、イーサネット（登録商標）カード、又は、他のコンピュータ１９０２からの入力を受け入れ且つ他のコンピュータ１９０２に出力を提供するための他のデバイス等の外部通信デバイスを備える。

一実施形態では、オペレーティングシステム１９０８、コンピュータプログラム１９１０、及びコンパイラ１９１２を実施する命令は、非一時的コンピュータ可読媒体、例えばデータ記憶デバイス１９２０で有形に実施され、データ記憶デバイス１９２０として、ジップドライブ、フロッピーディスクドライブ１９２４、ハードドライブ、ＣＤ－ＲＯＭドライブ、テープドライブ等の１つ以上の固定又は取り外し可能なデータ記憶デバイスを挙げることができる。さらに、オペレーティングシステム１９０８及びコンピュータプログラム１９１０は、コンピュータ１９０２によってアクセスされ、読み出され、また実行されたときに、本発明を実施及び／若しくは使用するために必要なステップをコンピュータ１９０２に実行させ、又は命令のプログラムをメモリ１９０６にロードさせ、したがって、本明細書で説明する方法ステップを実行する特別にプログラムされたコンピュータとしてコンピュータ１９０２を動作させる専用データ構造を作成させるコンピュータプログラム１９１０の命令から構成される。また、コンピュータプログラム１９１０及び／又は動作命令は、メモリ１９０６及び／又はデータ通信デバイス１９３０内で有形に具現化されてもよく、それにより、本発明によるコンピュータプログラム製品又は製造物品を製造する。したがって、本明細書で使用される用語「製造物品」、「プログラム記憶装置」、及び「コンピュータプログラム製品」は、任意のコンピュータ可読デバイス又は媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含するように意図される。

当然、当業者は、上記の構成要素の任意の組み合わせ、又は任意の数の異なる構成要素、周辺機器、及び他の装置を、コンピュータ１９０２とともに使用できることを認識するであろう。

図２０は、ネットワーク２００４を使用してクライアントコンピュータ２００２をサーバコンピュータ２００６に接続する、典型的な分散／クラウドベースのコンピュータシステム２０００を概略的に示す。リソースの典型的な組み合わせとして、インターネット、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）、ＷＡＮ（ワイドエリアネットワーク）、ＳＮＡ（システムネットワークアーキテクチャ）ネットワーク等を含むネットワーク２００４と、（図１９に示すような）パーソナルコンピュータ又はワークステーションであるクライアント２００２と、及び（図１９に示すような）パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ミニコンピュータ又はメインフレームであるサーバ２００６とを挙げることができる。しかしながら、本発明の実施形態によるクライアント２００２及びサーバ２００６を接続するために、セルラーネットワーク（例えば、ＧＳＭ［グローバルシステムフォーモバイルコミュニケーションズ］又は他の方法）、衛星ベースのネットワーク、又は任意の他の種類のネットワーク等の異なるネットワークを使用してもよいことに留意されたい。

インターネット等のネットワーク２００４は、クライアント２００２をサーバコンピュータ２００６に接続する。ネットワーク２００４は、クライアント２００２とサーバ２００６とを接続し、これらの間に通信を提供するために、イーサネット（登録商標）、同軸ケーブル、ワイヤレス通信、無線周波数（ＲＦ）等を利用してもよい。さらに、クラウドベースのコンピューティングシステムでは、クライアント２００２及びサーバコンピュータ２００６内のリソース（たとえば、ストレージ、プロセッサ、アプリケーション、メモリ、インフラストラクチャ等）は、１つ以上のネットワークの全体にわたってクライアント２００２、サーバコンピュータ２００６、及びユーザによって共有されてもよい。リソースは複数のユーザによって共有することができ、要求ごとに動的に再割り当てすることができる。これに関して、クラウドコンピューティングは、構成可能なコンピューティングリソースの共有プールへのアクセスを可能にするためのモデル、と称されることがある。

クライアント２００２は、クライアントアプリケーション又はウェブブラウザを実行でき、ウェブサーバ２０１０を実行するサーバコンピュータ２００６と通信できる。典型的には、このようなウェブブラウザは、MICROSOFT INTERNET EXPLORER/EDGE（登録商標）、OPERA（登録商標）、APPLE SAFARI（登録商標）、GOOGLE CHROME（登録商標）等のプログラムである。さらに、クライアント２００２上で実行されるソフトウェアは、サーバコンピュータ２００６からクライアントコンピュータ２００２にダウンロードされ、ウェブブラウザのプラグイン又はＡＣＴＩＶＥＸ制御としてインストールされてもよい。ウェブサーバ２０１０は、アクティブサーバページ（ＡＳＰ）又はインターネットサーバアプリケーションプログラミングインタフェース（ＩＳＡＰＩ）アプリケーション２０１２をホストしてもよく、これらはスクリプトを実行してもよい。スクリプトは、ビジネスロジック（ビジネスオブジェクトと呼ばれる）を実行するオブジェクトを呼び出す。次いで、ビジネスオブジェクトは、データベース管理システム（ＤＢＭＳ）２０１４を介してデータベース２０１６内のデータを操作する。代替的に、データベース２０１６は、ネットワーク２００４を介してデータベース２０１６から情報を通信／取得するのではなく、クライアント２００２の一部であってもよく、又は直接接続されてもよい。

一般に、これらの構成要素２０００～２０１６は全て、デバイス、媒体、信号、又はキャリア、例えば、データ記憶デバイス、データ通信デバイス、ネットワークを介して若しくは別のデータ通信デバイスを介してコンピュータに接続されるリモートコンピュータ若しくはデバイス等で具現化される、又はそれらから取り出すことができるロジック及び／又はデータを有する。さらに、このロジック及び／又はデータは、読み取られ、実行され、及び／又は解釈されると、本発明を実施及び／又は使用するのに必要なステップを行わせることになる。

用語「ユーザコンピュータ」、「クライアントコンピュータ」、及び／又は「サーバコンピュータ」は、本明細書では言及されるが、そのようなコンピュータ２００２及び２００６は、交換可能であってもよく、またさらに、限定された又は完全な処理能力を有するシンクライアントデバイス、携帯電話、ノートブックコンピュータ、ポケットコンピュータ、マルチタッチデバイス等の携帯デバイス、並びに／又は適切な処理、通信、及び入力／出力能力を有する任意の他のデバイスを含んでもよいことを理解されたい。

もちろん、当業者は、上記の構成要素の任意の組み合わせ、又は任意の数の異なる構成要素、周辺機器、及び他の装置を、コンピュータ２００２及び２００６とともに使用できることを認識するであろう。本発明の実施形態は、クライアント２００２又はサーバコンピュータ２００６上のソフトウェア／アプリケーションとして実施される。さらに、上述のように、クライアント２００２又はサーバコンピュータ２００６は、マルチタッチベースのディスプレイを有するシンクライアントデバイス又はポータブルデバイスを備えてもよい。

［利点及び改良点］
本明細書で説明する１つ以上の実施形態によるコヒーレント撮像システムは、照明経路と参照経路との間の動的位相変化、並びに、位相及び強度の変動等のコヒーレント光源（例えば、レーザ）の不完全性による位相寄与を抑制する。超高感度測定を必要とする１つ以上の用途では、コヒーレント撮像システムは、コヒーレント光源の位相及び強度の両方を同時に捕捉するように構成される。コヒーレント撮像装置（イメージャ）は、従来のコヒーレント撮像装置を悩ませる位相及び強度の変動を受けないので、信号取得時間を大幅に短縮することができ、又はコヒーレント装置を使用して、はるかに高い分解能で画像を取得することができる。

１つ以上の実施形態では、コヒーレント撮像システムは、行-列読み出しアーキテクチャと、アレイを低複雑度で数十メガピクセルに拡張するのに役立つ新規な振幅分布システムとを備える。

コヒーレント撮像システムの例示的な用途として、限定されるものではないが、コヒーレントトモグラフィ、ＬＩＤＡＲ、リモートセンシング、ロボット工学、自動化、空中結像、及び分光法が挙げられる。コヒーレント撮像システムは、スタンドアロンデバイスとして、又はＣＭＯＳ撮像装置、ＲＦ及びｍｍ波のレーダセンサ等の他のセンサと併せて使用することにより、マルチモーダル撮像システムを作成することができる。さらなる実施例では、コヒーレント撮像システムは、マルチモーダル撮像及びターゲット検出に使用される技術等の画像再構成強化技術を使用して実施されてもよい。さらに他の実施例では、コヒーレント撮像システムは、機械学習アルゴリズムを利用する方式などの分類方式を使用して実施されてもよい。

［参考文献］
以下の参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる(上記の明細書内では、括弧内の数字、例えば、［ｘ］によって参照される)。
［１］Firooz Aflatouni, Behrooz Abiri, Angad Rekhi, and Ali Hajimiri, "Nanophotonic projection system, " Opt. Express 23, 21012-21022 (2015)
［２］B. Abiri, R. Fatemi and A. Hajimiri, "A 1-D Heterodyne Lens-Free Optical Phased Array Camera With Reference Phase Shifting, " in IEEE Photonics Journal, vol. 10, no. 5, pp. 1-12, Oct. 2018, Art no. 6601712, doi: 10.1109/JPHOT.2018.2871823.
［３］Firooz Aflatouni, Behrooz Abiri, Angad Rekhi, and Ali Hajimiri, "Nanophotonic coherent imager, " Opt. Express 23, 5117-5125(2015)
［４］B. Behroozpour et al., "11.8 Chip-scale electro-optical 3D FMCW lidar with 8μm ranging precision," 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2016, pp. 214-216, doi: 10.1109/ISSCC.2016.7417983.

［結論］
以上で、本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の１つ以上の実施形態についての上記の記載は、例示及び説明の目的で示されている。本発明を包括的又は開示される正確な形態に限定することを意図するものではない。上記の説明に照らして、多くの修正及び変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本願に添付される請求項によって限定されるように意図されている。

Claims (21)

1. コヒーレント撮像システムであって、
   トランスミッタであり、
   電磁波のコヒーレント光源、及び
   前記電磁波を、参照ビーム、及びターゲットに送信される信号ビームに分割するためのパワースプリッタ
   を含む、該トランスミッタと、
   前記ターゲットから反射された又は前記ターゲットを透過した信号ビームを受信するように配置されるレシーバーであり、
   画像形成デバイス、及び
   ピクセルのアレイ
   を含む、該レシーバーと、
   を備える、コヒーレント撮像システムであって、各前記ピクセルは、
   前記画像形成デバイスによって捕捉領域上に結像された信号ビームの一部を収集信号として収集するための該捕捉領域と、
   前記参照ビーム及び前記収集信号を、複数の経路に沿って複数のカプラに分配する複数の導波路であり、
   異なる経路内の前記収集信号は、異なる位相シフトを有し、また
   各前記カプラは、複数の混合信号を形成するように、前記参照ビームと、前記位相シフトにおいて異なる位相シフトを有する前記収集信号のうち異なる収集信号とを混合する、
   該複数の導波路と、
   各前記混合信号を検出し、且つ、前記検出に応答して複数の出力信号を出力するように、前記カプラの出力に接続された複数の検出器と、
   を含む、コヒーレント撮像システム。
2. 請求項１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
   前記カプラは、第１カプラ及び第２カプラを含み、
   前記収集信号は、第１信号と、第１信号に対して９０度の位相シフトを有する第２信号とを含み、
   前記混合信号は、第１混合信号及び第２混合信号を含み、
   前記第１カプラは、前記第１信号を前記参照ビームと混合して、同位相信号を有する第１混合信号を形成し、
   前記第２カプラは、前記第２信号を前記参照ビームと混合して、直交信号を有する第２混合信号を形成し、
   前記検出器は、前記同位相信号を検出する第１検出器、及び前記直交信号を検出する第２検出器を含む、コヒーレント撮像システム。
3. 請求項２に記載のコヒーレント撮像システムであって、さらに、前記出力信号の二乗を合計する回路を備える、コヒーレント撮像システム。
4. 請求項１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
   前記収集信号は、第１信号と、前記第１信号に対して第１角度の位相シフトを有する第２信号と、前記第１信号に対して第２角度の位相シフトを有する第３信号と、前記第１信号に対して第３角度の位相シフトを有する第４信号とを含み、
   前記カプラは、第１混合信号、第２混合信号、第３混合信号及び第４混合信号を含む前記混合信号を出力する、第１カプラ、第２カプラ、第３カプラ及び第４カプラを含み、また
   前記検出器は、前記第１混合信号を検出する第１検出器、前記第２混合信号を検出する第２検出器、前記第３混合信号を検出する第３検出器、及び前記第４混合信号を検出する第４検出器を含む、コヒーレント撮像システム。
5. 請求項１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、前記トランスミッタ及び前記レシーバーは、
   前記信号ビームが、アパーチャを介して前記トランスミッタから前記ターゲットに送信され、且つ
   前記信号ビームが、前記アパーチャを介して前記レシーバー内で受信されるように、
   該アパーチャを共有する、コヒーレント撮像システム。
6. 請求項５に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、前記トランスミッタ及び前記レシーバーは、光アンテナが、前記信号ビームを前記ターゲットに送信し、且つ、該光アンテナが、前記ターゲットから前記信号ビームを受信するように、複数の光アンテナを共有する前記アパーチャを含む、コヒーレント撮像システム。
7. 請求項５に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、前記トランスミッタ及び前記レシーバーは、
   前記トランスミッタから前記ターゲットに送信される前記信号ビーム、及び
   前記ターゲットから前記ピクセルに受信される前記信号ビーム
   を形成するような光ビーム形成システムを共有する前記アパーチャを含む、コヒーレント撮像デバイス。
8. 請求項１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
   前記レシーバーはさらに電気制御回路を含み、前記電気制御回路は、
   前記ピクセルのうち１つ以上の選択された行からの前記出力信号の読み出しを選択し、且つ
   前記ピクセルのうち残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、
   前記ピクセルにバイアスをかける、コヒーレント撮像システム。
9. 請求項８に記載のシステムにおいて、
   前記ピクセルは行及び列として配置され、
   前記電気制御回路は、
   前記行のうち１つ以上の行内にある各前記ピクセルに接続された複数の共通行バイアスライン、及び
   前記列のうち１つ以上の列内にある各前記ピクセルに接続された複数の共通列バイアスライン
   を含むものであり、
   各前記ピクセルはさらに、
   一対の前記共通行バイアスラインの間に直列に接続される２つのバランス型フォトダイオードを有する各前記検出器、
   前記フォトダイオードと並列に接続され、且つ、一対の共通行バイアスラインの間に接続される保護抵抗、
   少なくとも１つのダイオードであり、該ダイオードは、前記フォトダイオードからの出力と直列に接続されたアノード及びカソードを含むものである、該ダイオード、
   を含み、
   前記一対の共通行バイアスラインは、前記フォトダイオードに逆バイアスをかけ、前記アノードの電圧を設定し、
   前記共通列バイアスラインは、
   前記１つ以上の選択された行から前記出力信号を読み出すために、前記選択された行内の前記ダイオードに順方向バイアスをかけ、且つ
   前記残りの行内の前記ダイオードに逆バイアスをかけるように、
   前記カソードにバイアスをかける、システム。
10. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記レシーバーはさらに、前記ピクセルのうち１つ以上の選択された行からの前記出力信号の読み出しを選択し、且つ前記ピクセルのうち残りの行からの読み出しを非アクティブ化するように、前記ピクセルのうち前記１つ以上の選択された行にのみ前記参照ビームを分配するスプリッタを含む、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記スプリッタは１つ以上の干渉計を含み、各前記干渉計は、
    第１出力及び前記参照ビームを受信するための入力を有する第１ブランチと、
    第２出力を有する第２ブランチと、
    前記第１ブランチ及び前記第２ブランチを接続する第１カプラと、
    前記第１ブランチ及び前記第２ブランチを接続する第２カプラであり、前記第２ブランチは、前記第１ブランチと直列に配置されるものである、該第２カプラと、並びに
    前記第１ブランチ又は前記第２ブランチに接続される可変型電圧変調器であり、前記第１出力及び前記第２出力において出力される前記参照ビームの相対パワーを制御するように、前記電圧変調器に電圧信号が入力されたことに応答して、前記第１ブランチ又は前記第２ブランチのうち少なくとも一方における前記参照ビームの相対位相を制御する、該可変型電圧変調器と、
    を含む、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    前記スプリッタはさらに、前記干渉計に接続される参照検出器を含み、前記参照検出器は、前記第１出力又は前記第２出力における前記参照ビームの相対パワーの一部を監視する電流信号を出力し、また
    前記システムはさらに、前記電流信号をフィードバックとして使用して前記電圧信号を制御するパワー分配回路を備える、システム。
13. 請求項１２に記載のシステムにおいて、
    前記スプリッタは、カスケード型干渉計から成る複数の前記干渉計を含み、
    前記干渉計はＭ個の層内に分布され、この分布は、前記層のうち前の層における前記１つ以上の干渉計の前記第１出力及び前記第２出力がそれぞれ、前記層のうち次の層における前記干渉計のうち異なる干渉計の入力に供給され、それにより参照ビームを分割することができ、前記層のうち第１層における前記干渉計の入力に入力され、前記層のうち最後の層における前記干渉計の第１出力及び第２出力を含むＮ個の出力に供給されることができるよう分布され、また
    Ｎ＝２Ｍ個の出力に前記パワーを割り当てるのに必要とされる前記電圧信号は、前記パワー分配回路によって、Ｍ個の層について、ｊ（１≦ｊ≦Ｍ）番目の層内にある前記干渉計毎に、ｊ＝１から始めて、
    （ａ）ｊ＋１番目の層内にある最も上側のブランチ及び最も下側のブランチに全てのパワーをルーティングする場合、前記ｊ番目の層内にある各前記干渉計に印加される前記電圧信号と、前記ｊ番目の層内にある全ての前記干渉計から出力された前記電流信号の合計とを記録し、また
    （ｂ）（ａ）で得られた知識を考慮して、前記ｊ＋１番目の層内にある残りの出力のそれぞれに、前記参照ビームを異なるパワーでルーティングする場合、前記電圧信号を、前記ｊ＋１番目の層内にある前記干渉計に合うよう調整し、また、前記ｊ＋１番目の層内にある前記干渉計から出力された前記電流信号の合計を記録するように、
    較正され、
    その結果、全ての前記電圧信号は、Ｍ個の電流ノードのみを使用して較正され、ｊ番目の電流ノードは、前記ｊ番目の層から出力された前記電圧信号の合計を含むことになる、システム。
14. 請求項１に記載のシステムにおいて、
    前記ビーム形成器は、第１レンズ、第１ミラー、第１ビームステアリング装置、又は前記ターゲットの全体に前記信号ビームを照射し、若しくは前記ターゲット上の１つ以上の異なる点に、１つ以上のコリメートビームを含む前記信号ビームを照射する第１光フェーズドアレイのうち少なくとも１つを含み、また
    前記画像形成デバイスは、第２レンズ、第２ミラー、第２ビームステアリング装置、又は、前記ターゲットとの相互作用後に、前記信号ビームを前記ピクセル上に結像する第２光フェーズドアレイのうち少なくとも１つを含む、システム。
15. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記レシーバーは、
    各前記ピクセルが異なる参照位相を有する前記参照ビームを受信するように、各前記ピクセルに送信される前記参照ビームの参照位相を調整する制御回路、又は
    測距用途用の前記出力信号から時間領域情報を抽出するように、少なくとも１つの線形周波数チャープ、又は少なくとも１つの２進符号化位相若しくは振幅のうち、少なくとも一方を用いて前記電磁波を変調する変調器を含む、システム。
16. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記捕捉領域は１つ以上の光アンテナを含む、システム。
17. 請求項１に記載のコヒーレント撮像システムにおいて、
    前記コヒーレント撮像システムは、前記出力信号を、コヒーレントトトモグラフィ、ＬＩＤＡＲ、リモートセンシング、ロボット工学、自動化、空中結像、又は分光法から選択される用途に使用できるように構成され、前記電磁波のコヒーレント光源は１つ以上のレーザを含む、コヒーレント撮像システム。
18. ＣＭＯＳ撮像装置又はＲＦレーダシステムのうち少なくとも一方と組み合わせた請求項１に記載のシステムを備えるマルチモーダル撮像システム。
19. 請求項１に記載の撮像システムであって、さらにコンピュータを備え、前記コンピュータは、１つ以上のプロセッサ、１つ以上のメモリ、及び前記１つ以上のメモリに記憶された１つ以上のコンピュータ実行可能命令を含み、前記コンピュータ実行可能命令は、
    前記出力信号から得られた撮像装置出力データを圧縮する第１人工知能若しくは機械学習アルゴリズム、又は
    前記ターゲットを検出し若しくは前記ターゲットを分類するように、前記出力信号から得られた若しくは前記出力信号を含むデータを分析する、第２人工知能若しくは機械学習アルゴリズム
    のうち少なくとも一方を有する、撮像システム。
20. 電磁波のコヒーレント検出のため、ピクセルのアレイを備える検出器アレイであって、
    各前記ピクセルは、
    画像形成デバイスによって前記ピクセル上に結像された信号ビームの少なくとも一部を収集信号として収集するための手段と、
    前記収集信号を、それぞれ異なる位相シフトを有する複数の収集信号に分割するための手段と、
    複数の混合信号を形成するように、各前記収集信号を参照ビームと混合するための手段と、及び、
    前記混合信号を検出し、前記混合信号に応答して複数の出力信号を出力するための手段と
    を含む、検出器アレイ。
21. 請求項２０に記載の検出器アレイにおいて、前記収集するための手段、前記分割するための手段、前記混合するための手段、及び前記出力するための手段は、１つ以上のフォトニック集積回路を含む、検出器アレイ。
    

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